" La conoscenza è come la luce di una candela. Quanto più brilla la sua luce, tanto più si allarga il confine tra luce e buio,  ampliando ancora di più ciò che in questo buio non sappiamo " ( Blaise Pascal) 

1 ) Alcuni mattoni costituenti le fondamenta  della ricerca della materia oscura nell' universo

L'obiettivo originale della fisica delle particelle elementari è stato quello di comprendere la natura delle forze subnucleari, dell' elettromagnetismo, e delle forze deboli.

Cos' è la forza ( o interazione) debole?

La forza debole è responsabile del decadimento beta dei nuclei atomici, associato alla radioattività, per il quale un neutrone si trasforma in un protone con l'emissione di elettroni e neutrini.

L'interazione debole è unificata a quella elettromagnetica nella teoria elettrodebole, secondo la quale esse sono due diverse manifestazioni di un'unica interazione, detta appunto elettrodebole.

Un po' di storia della ricerca di un modello unificatore ( Modello Standard )

Alla fine del 1960 e l'inizio del 1970, modelli specifici per queste forze sono stati proposti in forma di teorie di gauge di Yang-Mills, dando una bella spiegazione di tutte e tre le interazioni ( subnucleari- elettomagnetiche- elettrodeboli) da un unico punto di vista . Insieme, queste teorie divennero note come il 'Modello Standard'. Oggi abbiamo una grande fiducia nel descrivere le forze fondamentali in base al principio indicato nel MS, e di reputare questo modello corretto.

Attraverso esperimenti di precisione che coinvolgono bosoni W e Z realizzati negli ultimi venticinque anni, è stato testato il Modello Standard rigorosamente, e la teoria ha superato tutti i test. Il più recente esperimento è stato quello della ricerca del bosone di Higgs, richiesto nel Modello Standard per generare quark, leptoni e bosoni vettoriali . Un anno fa, gli esperimenti ATLAS e CMS presso il Large Hadron Collider hanno scoperto un buon candidato per questa particella che, al livello attuale delle misurazioni, ha tutte le proprietà previste nel Modello Standard. Si tratta di un livello storico di successo sia per la teoria che come esperimento.

Questo modello ha predetto l'esistenza di campi fondamentali, le loro dinamiche, un campo scalare responsabile per la rottura di una simmetria di gauge, e le interazioni tra le particelle con una precisione senza eguali nella storia della scienza . E, tuttavia, il risultato è ancora insoddisfacente. E ' vero nella scienza che cambiamenti rivoluzionari nella nostra comprensione portano ad una nuova serie di domande assillanti. Il successo del Modello Standard non è diverso. Anche se abbiamo risposto a molte domande sulla struttura delle particelle elementari, abbiamo una nuova serie di domande sulla struttura del Modello Standard stesso. La scoperta del bosone di Higgs acuisce questi problemi e li rende ancora più misteriosi. Ci sono molti fenomeni in natura che, ovviamente, esulano dal Modello Standard.

Ora sappiamo che l'85 per cento della materia nell'universo è materia oscura : neutrale, debolmente interagente con la materia composta da una o più specie non contenute nel Modello Standard. L'eccesso di barioni sugli antibarioni nell' universo ( barione  significa "pesante", termine dato alle particelle caratterizzate da una massa maggiore rispetto alle altre conosciute. I barioni più noti sono i protoni ed i neutroni, che costituiscono la maggior parte della massa della materia visibile nell' universo. E' soggetto alle forze nucleari forti )  non si spiega con il Modello Standard. Anche se il Modello Standard contiene tutti gli ingredienti necessari per generare il numero barionico nell'universo primordiale, tra cui la violazione del numero barionico, ed  una transizione di fase della storia cosmica, si sospetta un' asimmetria barione-antibarione che è troppo elevata, praticamente di dieci ordini di grandezza.

  Il Large Hadron Collider di Ginevra

I numeri quantici dei quark e dei leptoni sotto la simmetria di gauge Modello Standard SU (3) × SU (2) × U (1) - dove SU sta per gruppo Speciale Unitario -  suggerisce fortemente che questi gruppi di simmetria sono unificati in un più grande sistema costituente il gruppo SU (5) o SO (10); tuttavia, i risultati delle misure di precisione dei punti di forza di accoppiamento non è coerente con questa ipotesi.

Alla base della formulazione del Modello Standard viene posto il principio di simmetria fondato sulla teoria di Yang-Mills. Esso consiste sull' invarianza di questa teoria sotto opportune trasformazioni, dette " di gauge".

Il Modello Standard non può spiegare le masse dei neutrini senza l'aggiunta di alcune nuove particelle. Inoltre, il modello di interazione debole per il mix di differenti neutrini è completamente diverso da quello osservato per i quark.

Il Modello Standard non comprende la forza di gravità o la debole - ma diversa da zero - nello spazio vuoto che dà origine all' energia oscura. Inoltre, vi è un grande puzzle teorico riguardante il modello standard, da mettere a posto. Se l'Higgs è una particella scalare elementare, la sua massa è sensibile alle masse di qualsiasi particella più pesante a cui accoppiarsi.

La scoperta del bosone di Higgs ha cambiato il nostro punto di vista nel modo in cui affrontiamo questi fenomeni inspiegabili e molte questioni teoriche. Questo è vero per tre ragioni.

In primo luogo, il bosone di Higgs completa la gamma delle particelle del Modello Standard. Abbiamo ora trovato tutte le particelle del Modello Standard e misurato molte delle loro proprietà. E 'ora chiaro esattamente ciò che il modello non spiega. Siamo entrati in una nuova era in cui la verifica del Modello Standard passa in secondo piano per la ricerca di nuove forze sconosciute e per le interazioni tra particelle .

In secondo luogo, uno dei misteri principali della direttiva riguarda il bosone di Higgs stesso. Il bosone di Higgs è stato previsto come diretta conseguenza del modello più semplice della generazione della massa per quark, leptoni e bosoni di gauge. Per molto tempo, molti fisici delle particelle hanno espresso un certo disagio con questo modello. Ora la previsione è diventata una realtà. Dobbiamo fare i conti con essa e capire perché la natura sceglie una particella con queste proprietà per fare il suo lavoro.

In terzo luogo, il bosone di Higgs stesso ci dà un nuovo approccio sperimentale. All'interno del Modello Standard, tutte le proprietà del bosone di Higgs sono appunto previste dal valore della massa di Higgs. Ma, non appena facciamo un passo fuori dal Modello Standard, le proprietà del bosone di Higgs sono quasi costrette dalla teoria. E 'interessante indagare su questa particella, fino alla rottura del modello standard. Abbiamo bisogno di applicare per il bosone di Higgs lo stesso controllo che abbiamo applicato nei decenni precedenti alla struttura degli adroni, per il sistema di quark pesanti, per i bosoni W e Z, e per i top quark.

2 ) Le previsioni per i prossimi 10 anni di ricerca all' LHC

Questo approccio sperimentale ha acquisito un nuovo, promettente target. Per l'esplorazione delle regioni sconosciute al di fuori del modello standard, siamo incoraggiati dal fatto che potenti strumenti sperimentali saranno messi in gioco. Si prevede che nei prossimi dieci anni, il Large Hadron Collider (LHC) del CERN avrà quasi il doppio della sua energia attuale.

Questa nuova funzionalità sarà messa a dura prova da molti modelli che predicono una nuova fisica oltre il Modello Standard e per affrontare i fenomeni inspiegabili elencati in precedenza .

Nel prossimo decennio l' LHC dovrebbe aumentare i suoi set di dati di un ulteriore fattore, fino a 3000 fb-1. Fisici delle particelle hanno proposto di far collidere leptoni e adroni di maggiore energia. Ora abbiamo davanti a noi strumenti per una completa esplorazione di questa regione di massa e di distanza. Si tratta di un programma convincente.

Tuttavia, molte delle domande che abbiamo elencato precedentemente si riferiscono specificamente alla scala di energia di centinaia di migliaia di GeV che si sta esplorando oggi all' LHC. Si ritiene che sia indispensabile un notevole aumento di potenza dell' LHC per capire le particelle e le forze in questa 'scala del TeV' ( TeraelettronVolt) a fondo, utilizzando tutti gli strumenti a nostra disposizione. C'è però  un confine netto dove la nostra conoscenza  delle interazioni fondamentali tra particelle elementari si ferma . Questo fatto è legato a due facce diverse che il Modello Standard presenta, le quali poggiano su differenti basi teoriche.

Il lavoro dei fisici teorici insieme a quelli sperimentali sarà ancora lungo, ma le basi del lavoro futuro sono state saldamente poste, e le risposte potranno svelare i misteri ancora nascosti della materia oscura presente nell' universo.

Claudio De Maria